Электромагнитное моделирование двухмодового многочастотного облучателя зеркальной антенны с компенсацией боковых лепестков диаграммы направленности

Структурная схема многочастотного двухмодового облучателя

Основным требованием к антенне каждого частотного канала пассивной радиолокаци­онной системы является формирование двух выходных сигналов: основного измерительного и дополнительного сигнала компенса­ции. Уровень последнего в основном опреде­ляется адекватным основному каналу прие­мом радиошумового излучения через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) основного антенного канала. Реализация двухканального приема с указанными харак­теристиками возможна при работе в двухмо­довом режиме - на модах H₁₁ и E₀₁ круглого волновода с последующим разделением мод в приемном питающем волноводе антенны (модовом разделителе) [1, 2].

Модовый разделитель каждого частот­ного диапазона, структурная схема которого приведена на рис. 1, выполнен на основе круг­лого волновода, к которому подключены три волновода - выходы антенны. В совокупности с круглым волноводом первый и второй антен­ные каналы (41 ОСН ГОР и 42 ОСН ВЕРТ) образуют выход антенны, осуществляющей прием на волне H₁₁ на двух ортогональных поляризациях. Третий антенный канал (42) принимает сигнал на волне E₀₁.

Антенный облучатель работает следую­щим образом. Широкополосный или шумовой сигнал подается в круглый волновод, в котором возбуждаются волны H₁₁ и E₀₁. Трансформа­тор типов волн H₁₁ → H₁₀ представляет собой перпендикулярное подключение волновода (например, прямоугольного) к боковой стенке круглого волновода, в которой имеется прямо­угольное окно. Его широкая стенка парал­лельна оси круглого волновода, а размеры ограничены поперечным сечением подклю­ченного волновода. В таком трансформаторе осуществляется ответвление энергии, пере­носимой волной H₁₁, и подача ее на выход второго плеча. Структура поля волны E₀₁ в перпендикулярном плече в виде прямоуголь­ного волновода не может возбудить волну H₁₀, поскольку составляющие вектора E напряжен­ности электрического поля параллельны узкой стенке, одинаковы по амплитуде и направлены в противоположные стороны. Режекторный фильтр, например, в виде проводящего коль­ца (рис. 2, б) в поперечном сечении круглого волновода препятствует прохождению волны H₁₁ и пропускает на вход трансформатора E₀₁ → H₁₀ только энергию, переносимую вол­ной E₀₁. Трансформатор типов волн E₀₁ → H₁₀ представляет, например, перпендикулярное подключение прямоугольного волновода со стороны широкой стенки к круглому волново­ду. Таким образом, на выходе трансформатора (третий канал А3) выделяется сигнал, пропор­циональный только энергии волны E₀₁ [3].

Способ возбуждения осесимметричной волны типа E₀₁ в круглом волноводе от прямо­угольного волновода с волной типа H₁₀ заклю­чается в следующем. Прямоугольный волновод соединяется с круглым волноводом через по­перечное прямоугольное отверстие (рис. 2, б). Для лучшего возбуждения волны типа E₀₁ круг­лый волновод с одной стороны закорачивается на расстоянии λ_{2 E01}/2 от центра возбуждаю­щего прямоугольного отверстия.

Для подавления паразитной волны низ­шего типа H₁₁, которая также возбуждается в области соединения круглого и прямоуголь­ного волновода, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое метал­лическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким к λ₀, чтобы волна типа H₁₁ возбуж­дала в нем резонансные колебания с одной вариацией тока по периметру. Такое резонанс­ное кольцо действует на волну H₁₁ подобно короткозамыкателю. Расположив кольцо на расстоянии λ_{2 H11}/4 от центра щели, удается эффективно подавить волну H₁₁ в круглом волноводе. На волну типа E₀₁, силовые линии электрического поля которой радиальны и ле­жат в плоскости кольца, резонансное кольцо влияния практически не оказывает [4].

Кольцевой фильтр отражает волны ти­пов H₁₁ и H₁₀. Для волны типа H₁₁ кольцо с периметром (1,1...1,2)λ является резонансной системой, полностью отражающей волну. Для этой волны оно эквивалентно двум полуколь­цам длиной, приблизительно равной λ/2 ка­ждое, т. е. полуволновым резонаторам, разом­кнутым на концах. С увеличением толщины кольца возрастают ширина частотной полосы фильтра для волны H₁₁ и отношение периме­тра к резонансной длине волны, также растет и отражение пропускаемых фильтром волн.

Кольцо пропускает волну типа E₀₁, у кото­рой Ε_φ = 0; малый коэффициент отражения этой волны определяется прежде всего малой площадью кольца в поперечном сечении вол­новода [5].

Исследование направленных свойств многочастотного двухмодового облучателя

В качестве объекта исследования были выбра­ны двухмодовые облучатели двухканальных двухмодовых антенн. Результаты математи­ческого моделирования ДН указанных антенн для двух каналов: основного измерительного (ОСН-канал) и дополнительного формиро­вания сигнала компенсации (ДОП-канал) - представлены на рис. 3.

Кроме численного моделирования ДН двухканальных антенн было выполнено экспе­риментальное исследование их направленных свойств. В экспериментах использовались полупроводниковые генераторы шума производ­ства НПП «Исток» М31305-1 для диапазонов 7,5 и 3,2 см, М31305-4 для диапазона 1,35 см. Генерируемая шумовая мощность достигает 33 дБ относительно kT₀. Спектральная плот­ность мощности шума генераторов изменялась с помощью волноводного плавного аттенюато­ра от 0 до -30 дБ. Результаты эксперименталь­ных измерений ДН двухканальных антенн по радиотепловому излучению полупроводнико­вых генераторов шума (ГШ) на лавинно-про­летных диодах, используемых в качестве то­чечного излучателя, находящегося в дальней зоне антенны, соответствующих диапазонов представлены на рис. 4.

Результаты экспериментальных иссле­дований направленных свойств двухканаль­ных антенн показали хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, что подтвердило возможность реализации требу­емых характеристик направленности для формирования сигналов компенсации адекватных помеховым составляющим входных сигналов системы в трех указанных частотных диапа­зонах [6].

Моделирование характеристик антенного устройства пассивной радиолокационной системы

В соответствии с геометрическими размера­ми антенного устройства, определенными из условий его функционирования в двухмодо­вом режиме, в программе Microwave Studio была построена модель для оценки условий прохождения входных сигналов в трех после­довательных секциях.

На рис. 5 отображены результаты моде­лирования характеристик первой секции ан­тенного устройства. Сводные данные по всем трем секциям представлены в таблице.

Заключение

Полученные результаты моделирования ха­рактеристик антенного устройства трехди­апазонной пассивной радиолокационной системы с компенсацией фоновых шумов подтверждают возможность реализовать ча­стотное разделение сигналов трех диапазо­нов при последовательном прохождении трех секций в основных и дополнительных каналах при соосном приеме излучения на общую апертуру зеркальной антенны.

В представленном антенном устройстве трехдиапазонной пассивной радиолокацион­ной системы решена задача компенсации вли­яния фоновых шумов в каждом частотном диапазоне при формировании двух выходных (основного измерительного и дополнитель­ного компенсации) сигналов в каждой секции антенного устройства и реализации компен­сационного принципа приема радиоизлуче­ния.

Сформулированы основные требования к антенному устройству пассивной радиолока­ционной системы с одновременным соосным приемом на общую апертуру в трех частотных диапазонах с компенсацией влияния фонового излучения окружающего пространства.

Определена структура трехсекционного антенного устройства с формированием ос­новного измерительного сигнала и сигнала компенсации в каждом из трех частотных диапазонов и показана необходимость установки частотных волноводных фильтров низких ча­стот в первых двух секциях для решения за­дачи частотного разделения сигналов при их последовательном выделении в трех секциях антенного устройства.

Приведены результаты моделирования характеристик прохождения сигналов в антен­ном устройстве, полученные в программе элек­тродинамического моделирования Microwave Studio.

Получены частотные зависимости ко­эффициентов передачи основного и дополни­тельного антенных каналов и коэффициента их взаимной развязки.

Обобщены результаты моделирования параметров прохождения сигналов в трех сек­циях антенного устройства, приведены их зна­чения на центральных частотах диапазонов.